锆—钢复合板制压力容器的结构设计

赵斌　张成

摘 要：21世纪以来，我国压力容器设计和制作取得了突破性进展，出于经济和资源效益两方面的考虑，并在综合了锆和钢双方面的优点，我国提出锆-钢复合板制压力容器的理念。从锆的性质到对锆-钢复合板的制作以及对锆-钢复合板制压力容器的结构设计做出了较为详细的思考和分析。希望能够为锆-钢复合板制压力容器的使用提供一些建设性的意见和参考。

关键词：锆；锆-钢复合板；压力容器；结构设计

中图分类号： TQ053.2 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）26-176-2

0 引言

锆作为21世纪以来发展较晚的金属，并不为许多人所熟知。但是，随着人们对锆的认知不断加深，锆的应用范围也越来越广泛。不同于碳钢、不锈钢、钛 、镍合金，锆具有强耐腐蚀性。但是，作为稀缺金属，若单纯的只使用锆作为原料，资源的消耗太大，而且，经济效益并不明显。另外，碳钢属于成本较低的金属，但是耐腐蚀性较差，并不适合制造耐蚀要求较高的压力容器。但是，通过爆炸复合技术将锆板和钢板复合而成，结合双方的优点，不仅能达到压力容器特殊的强耐腐蚀性，而且大大降低了制造成本。平均成本能够省去百分之九十以上，大概为纯锆的百分之五。使用锆-钢复合板制压力容器的结构设计也能为节约锆资源做出贡献。锆-钢复合板制压力容器作为锆和钢的复合材料，它在具备锆的耐腐蚀性外，它还具有钢的高弹性和高强度模量等优点。

1 锆-钢复合板锆-钢复合板的性质

锆-钢复合板爆炸的成型结合区一般是在基板和复板之间，存在于组织、成分和性能的过渡地带。它具有金属的塑性变形、扩散、融化和波形等显著特征。过渡地带一般在0.01～1.00毫米的范围区间，它的组织和性能与复合工艺有关，也直接影响到基板和复板之间的结合程度和实用性。

1.1 锆的特点和应用

锆作为一种比较活泼的金属很容易与其他的物质发生反应，尤其是氢、氮和氧气，对氧气的亲和力很强，1000°C氧气溶于锆中能使锆的体积发生显著的变化，在锆的表面会形成一层氧化膜，其外观具有与钢相似的光泽。锆具有耐腐蚀性，在高温时可以和很多金属或非金属发生反应，成为固溶体。另外，锆的可塑性优于其他金属，它可以被加工成板、丝等。在加热时，锆能吸收大量的氢、氧、氮等气体，可用来制作贮氢材料。锆的耐腐蚀性优于钛，接近钽和铌。

锆作为一种稀有金属，具有惊人的抗腐蚀性。而且，它熔点和硬度极高。因为这种特性它被广泛地应用于航空航天以及军工、原子能等领域。可以说，他是21世纪最有发展前途的金属。1.2 锆-钢复合板的应用

目前，爆炸复合技术是当代生产锆-钢复合板的唯一可靠技术。基于锆-钢复合板是在综合了锆和钢双方面的优点综合利用起来的，平均价格仅为纯锆材料的百分之五到百分之六之间，因此，它被作为一种较为经济实用的复合材料。对于专业制造厂而言，制造一台纯锆容器，其估价的百分之七十是出自锆材料的使用。剩下的百分百之三十才是加工费。如果容器的材料选用由纯锆改为锆-钢复合板，那么，大概可以省去一半以上的费用，容器的制造也能够更突显经济效益和资源效益。

2 锆-钢复合板制压力容器的设计

结合设计纯锆材料制压力容器的实例，用来转化说明锆-钢复合板制容器的结构设计。目前，最为普遍的是选取R60702制造化工类抗腐蚀设计，这样才能最有效的保证复合板符合标准，这种将钢和锆复合在一起的技术被称为三层复备。采用R60702制造锆-钢复合板的时候需要通过钛过渡，因为钛和锆属同族元素。在使用不同钢板为材料时会有不同的情况出现。例如：采用中强度的钢板为材料时，可以获得较为优质的金性能相似，两者在通过爆炸复合时也不会产生金属化合物，复合的质量也相对较高。但是，当钢板的强度增加时，或者厚度增加，那么，相对应的，在纯钛和钢的复合工艺尽管已经相对成熟，甚至可以保证超过10mm，复合难度也会随之增大。另外，锆-钢复合板的质量也不能得到保证。因此，高质量的锆-钢复合板通常采用在钢板之间增加一层2.60mm的钛层作为过渡层。与R60702相比，R60700具有更低的强度和更好的塑性。它可以直接与钢复合，在不需要过渡层的情况下制成复合板。

2.1 锆-钢复合板制压力容器的设计标准

目前，通常情况下锆-钢复合板制压力容器的制造与检验不仅要符合相应设备的设计图纸，技术文件要求和一般技术规定外还需要遵循一定的法规、规定、标准。至于相关的工程标准，如果存在，见于设备总装配图技术要求栏的说明。对于厚度的定义，应在图纸上表示的基层壁的最小厚度。

2.2 釜体对焊结构

如图2所示，是比较常见的两种对接接头结构，图1 a是在本例中使用的结构，也是本文比较推崇的一种结构。这种结构，可供使用的压力和温度范围广，并且结构简单易于制作。对于它的使用，它正在基板对接焊缝处采用X型坡口，另外，在与钢板对接焊缝时，需要先将在距离焊口边沿15毫米位置的锆层完全去除掉。在完成焊接后，应采用锆材料制作的垫条进行空缺部分的填充。并且，采用银钎焊将锆层与垫条焊接在一起，然后封上封条，与复层的锆焊缝在一起。其中，垫条的作用是提高贴条后的机械支撑，从而抵挡来自内部介质的压力。有时候，垫条也可以考虑使用钛板或者铜板，这样可以节省部分成本。图1 b则是一些制作单位选用的结构，这种结构设计简单，并且能够大幅度减轻工作量，但是，因为贴条需要弯曲，产生应力。温度高时还可能出现膨胀、产生裂纹的情况。从而导致容器被腐蚀。因此，这种结构通常在压力和温度不高的时候使用。

2.3 T型焊接接头

釜体纵、环焊接接头的接头处采用圆弧状转角的盖板。为了预防盖板的焊接接头出现纰漏和在进行焊接接头时，便于背面通氩气保护，每一条纵向的对接接头的垫板或者钎焊层都必须钻两个以上6毫米的检漏孔。另外，检漏口的位置应尽量接近其两端的环向焊接接口处。釜体纵、环焊接接头连接的T型焊接接头的结构如图2所示。

3 结束语

锆作为优质的金属材料，相对其他金属材料而言，价格昂贵。但是，采用可以避免纯锆当材料的大成本制作的锆-钢复合板制压力容器，可以有效地降低制造成本，大大节约锆资源。并且可以充分地利用锆和钢双方的优点。可以说，采用锆-钢复合板制造压力容器具备明显的经济效益和资源优势。由于锆和钢特殊的金属特性，它们不能直接进行熔化、焊接，而这也就决定了锆-钢复合板的制作设备的结构完全不同于不锈钢或镍合金复合板的制作设备。笔者通过一些实践和例子就锆-钢复合板制压力容器的结构设计作了分析和说明。

参 考 文 献

[1] 孙万仓，张成，贺旭明.锆钢复合板制备水解釜技术探讨[J].金属材料与冶金工程，2011（05）：56-59.

[2] 万建春，郑世平，王建，刘生海.锆钢复合板反应器的制造实践[J].中国化工装备，2011（06）：120-122.

[3] 田志安.锆钢复合板醋酸反应器制造技术的研究[J].乙醛醋酸化工，2013（10）：89-91.

[4] 汪雪涛，高振宇.锆钢复合板反应器制作技术[J].压力容器，2012（07）：265-267.